基于渗流-应力耦合作用下斜墙坝渗流及稳定分析

舒海辉,黄毛毛

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.金华市水利水电勘测设计院有限公司，浙江 金华 321017)

渗流作为影响水工建筑安全稳定的重要因素，一直是科研人员关注的热点。刘永涛[1]等基于EEMD-RVM土石坝渗流量时间序列预测模型，分析得到渗流量预测值。刘千惠[2]结合剪切渗透系数模型，利用GOODMAN单元反映不同部件之间的接触关系，建立多体—多场耦合分析方法，揭示了接触面剪切—渗流过程中渗透特性的变化机理。戴前伟[3]利用电流场电势微分控制方程与渗流场流速势微分控制方程相似性原理，运用流场法检测电流场的分布来确定渗流场，迅速查明堤坝管涌渗漏入口。辛长红[4]基于非饱和渗流分析理论，采用非线性有限元数值分析方法，通过对裂隙岩体吸湿曲线敏感性分析，研究非饱和渗流过程中谷幅变形规律。唐少龙[5]针对渗透系数多目标反演问题，采用BP神经网络，形成GA-BP神经网络多目标渗透系数反演模型。卢文頔[6]基于水体质量守恒方程及V-G模型，采用DVI方法对含夹层边坡进行非饱和渗流模拟。何佳楠[7]考虑坝基裂隙岩体各向异性，采用等效连续介质模型进行渗流分析，运用有限元滑面应力积分法分析重力坝深层抗滑稳定安全系数。侯晓萍[8]基于空气单元法，分析渗流场的逸出边界，加入接触面薄层单元的改进方法，计算精度进一步提高。张卉芬[9]根据蒙特—卡罗法分析不同降雨条件下边坡的渗流特性及可靠性。李辉[10]运用COMSOL Multiphysics建立分析模型，研究了土石坝不同水位下的渗透特性。倪小东[11]采用有限差分法(FLAC)分析渗流场，采用离散单元法(PFC)进行渗透变形关键区力学分析，建立堤防离散—连续耦合模型，对堤防渗透变形问题进行分析。针对斜墙坝渗流问题，本文考虑渗流—应力耦合作用，基于渗流—应力耦合计算原理，应用有限元法(FEM)对其进行分析，同时应用强度折减法计算斜墙坝的稳定性，以期对斜墙坝渗流及稳定分析问题提供一定的参考。

1 计算原理

1.1 渗流—应力耦合计算原理

岩体内总应力包括有效应力及孔隙水压力，有效应力由总应力与孔隙水压力之差表示。

(1)

通过平衡微分方程、几何方程，推求得到土体力学微分方程为

(2)

式中，G—介质的剪切变形模量，Pa；ui—位移分量，m；λ—拉姆常数；Fi—体力分量，N。

根据质量守恒原理，推得土体渗流微分方程为

(3)

式中，εv—体积应变。

基于土体力学微分方程及渗流微分方程，加上初始条件及边界条件，通过耦合计算分析得出渗流场和应力场。

应用有限元理论，分析得到渗流应力耦合有限元控制方程组为

(4)

1.2 强度折减法原理

(5)

式中，c—粘聚力，Pa；φ—内摩擦角，(°)。

2 工程实例分析

2.1 工程实例概况

石里水库大坝坝高10.50m，坝顶长235.0m，坝顶宽4.0m。坝体采用粘土斜墙结合坝基截水槽进行防渗处理，墙顶高9.0m，墙顶宽度3.5m，墙底伸入基岩以下1.0m。本文中水位以正常蓄水位进行分析计算，正常蓄水位距坝底8.13m。坝体材料参数见表1，大坝断面模型如图1所示，大坝断面有限元网格如图2所示：

表1 主要材料参数

图1 大坝断面模型

图2 大坝断面有限元网格

2.2 渗流—应力耦合计算分析

为方便计算，约束上下游地基边界水平向移动及地基底部竖向移动，地基表面为透水边界，坝体下游边界不承受水压。上游坝面及地基承受正常蓄水位水荷载。

分析得到大坝的浸润线如图3所示，在斜墙的作用下，坝体内的孔隙水压力降低且作用范围主要集中在上游，有效地保护了坝体免受渗流引起的破坏，说明斜墙及截水槽起到了应有的效果。

图3 坝体浸润线示意图

在不考虑渗流应力耦合作用时，计算得到坝体最大竖向位移为17.26cm，最大主应力47.25kPa，竖向最大应力13.12kPa。考虑耦合效应时，分析得到坝体最大竖向位移为18.30cm，最大主应力55.19kPa，竖向最大应力13.85kPa。在计算渗流—应力耦合作用后，坝体应力及竖向位移均有所增大，主要原因为渗透荷载的竖向分力作用，使得土体产生向下的位移及应力。坝体竖向位移对比如图4所示。

图4 坝体竖向位移对比图

2.3 斜墙坝稳定计算分析

采用折减系数法计算安全系数时，初步以0.1为间距增加安全系数进行计算，大致确定安全系数范围，然后以0.01为间隔继续调整折减系数，最后得到大坝的最小安全系数。

本文选取上游坝坡顶点为特征点，分析其竖向位移变化，计算结果如图5所示。可以看出，在不考虑渗流应力耦合作用时，位移突变发生在折减系数为1.9时，即分析得到大坝安全系数为1.9；加入渗流应力耦合效应后，特征点位移突变发生于折减系数为1.84时，结构安全系数为1.84。在考虑渗流—应力耦合作用后，结构的安全系数有所降低，主要是因为渗透水流起到一定的润滑作用，减小了土体介质间的摩擦力，改变了土体结构；另外渗流荷载的作用，降低了斜墙坝的抗滑稳定性。因此在进行斜墙坝稳定分析时，考虑渗流应力耦合作用更贴于实际，考虑耦合效应有利于坝体的稳定。

3 结语

本文基于渗流—应力耦合原理及强度折减法原理，运用有限元法分析了流固耦合作用对斜墙坝位移应力及安全系数的影响。结果表明渗流应力耦合效应使得坝体应力及竖向位移均有所增大，结构的安全系数有所降低，主要原因为渗透荷载作用，使得土体结构改变并导致坝体抗滑稳定性减小。在实际工程设计施工中不应忽视流固耦合作用的不利影响。

对于斜墙坝的安全稳定分析，本文分析结果有一定的现实意义，但计算模型中对地基及坝体结构简单化处理，与工程实际仍有偏差，需要进一步细化模型以使计算结果更加精确。